基于三维视觉与模型匹配的坡口自动切割系统及切割方法技术方案

本发明专利技术提供了基于三维视觉与模型匹配的坡口自动切割系统及切割方法，涉及坡口加工设备技术领域，该基于三维视觉与模型匹配的坡口自动切割系统包括3D视觉子系统、上位机、运动控制系统、切割机器人和切割设备，3D视觉子系统与上位机信号连接，上位机与运动控制系统信号连接，切割设备设置在述切割机器人上，运动控制系统与切割机器人电连接；坡口自动切割方法利用三维视觉系统以及图像处理软件，基于图像处理算法，利用三维相机内外参标定算法、三点标定法以及姿态匹配算法，实现了系统内机器人、三维视觉系统、工件坐标系之间的映射。本发明专利技术可对不同工件和坡口类型进行自动切割，坡口质量好、效率高、提高了坡口切割系统的自动化和智能化。

Groove automatic cutting system and cutting method based on 3D vision and model matching

The invention provides a groove automatic cutting system and cutting method based on 3D vision and model matching. It involves the technical field of the groove processing equipment. The groove automatic cutting system based on the 3D vision and model includes the 3D vision subsystem, the upper computer, the motion control system, the cutting robot and the cutting equipment, and the 3D vision. The subsystem is connected with the upper computer signal, the upper computer is connected with the signal of the motion control system, the cutting equipment is set on the cutting robot, the motion control system is connected with the cutting robot, and the groove automatic cutting method uses the 3D visual system and the image processing software, and uses the image processing algorithm to make use of the three-dimensional camera. External reference calibration, three point calibration and attitude matching algorithm have realized the mapping between robot, 3D vision system and workpiece coordinate system in the system. The invention can automatically cut different workpieces and groove types, has good groove quality and high efficiency, and improves the automation and intellectualization of the groove cutting system.

【技术实现步骤摘要】
基于三维视觉与模型匹配的坡口自动切割系统及切割方法
本专利技术涉及坡口加工设备
，尤其是涉及一种基于三维视觉与模型匹配的坡口自动切割系统及切割方法，通过图像采集和图像处理将工件与模板匹配获得加工轨迹信息，进而控制机器人运动进行坡口加工。
技术介绍
在盾构机等大型设备的加工和生产过程中，零件坡口加工量很大。目前，对于小批量、非直线等异形坡口，多采用手动或半自动的切割方式，存在坡口切割质量差、质量不稳定、坡口加工效率较低、成本高等一系列问题；而且坡口质量差或加工质量不稳定，不仅对零件本身的精度有影响，还严重影响了后续铆焊工序的顺利进行；当坡口类型发生改变时，现有的坡口切割方式都需要重新调整设备、示教或者编写程序，无法实现对不同工件、不同类型坡的自动切割，为了提高产品质量，缩短产品周期，引入坡口自动切割系统十分必要。随着视觉技术的进步，三维视觉技术日渐成熟，利用三维视觉技术进行待加工工件扫描，然后与坡口要求对应的三维图纸库中的模型进行匹配，自动生成机器人坡口切割路径进行加工，有望解决异形工件、异形坡口的自动切割难题，提高坡口切割的智能化和自动化。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于三维视觉与模型匹配的坡口自动切割系统及切割方法，通过3D相机对工件进行扫描，得到不带坡口的工件图像，将图像和模板库中带坡口的工件三维模型进行匹配，匹配成功后根据对比信息，获取坡口切割的加工轨迹信息，进而控制机器人完成坡口切割，以解决现有技术中存在的无法对不同工件、不同类型坡口实现自动切割的技术问题。为实现上述目的，本专利技术提供了以下技术方案：本专利技术提供了一种基于三维视觉与模型匹配的坡口自动切割系统，包括3D视觉子系统、上位机、运动控制系统、切割机器人和切割设备，所述3D视觉子系统与所述上位机信号连接，所述上位机与所述运动控制系统信号连接，所述切割设备设置在所述切割机器人上，所述运动控制系统与所述切割机器人电连接。作为本专利技术的进一步改进，所述3D视觉子系统为3D相机，所述上位机内储存有模板库。所述3D相机为激光型相机，所述3D相机外侧设置有防护罩以及防撞保护座。3D相机既3D智能传感器，是集激光、传感器和测量工具于一身，可以完成测量过程中的扫描、分析、测量和控制功能。作为本专利技术的进一步改进，所述运动控制系统包括工作台、机器人控制器和手控示教器，所述工作台放置在地面上，待加工工件放置在所述工作台上，所述手控示教器与所述机器人控制器连接，所述机器人控制器与所述切割机器人连接，所述上位机与所述机器人控制器电连接。手控示教器为手持操作，通过手控示教器连接控制器进而控制器切割机器人动作。作为本专利技术的进一步改进，所述切割机器人为六自由度关节机器人，所述3D相机和所述切割设备均设置在所述切割机器人的末端手臂上。作为本专利技术的进一步改进，所述切割设备包括氧气供应装置、乙炔气供应装置、气路控制器、乙炔气软管、氧气软管和割枪，所述氧气供应装置通过所述氧气软管与所述割枪连接，所述乙炔气供应装置通过所述乙炔气软管与所述割枪连接，所述气路控制器的数量为两个，两个所述气路控制器分别设置在所述乙炔气软管和所述氧气软管上，所述割枪设置在所述切割机器人末端手臂上。作为本专利技术的进一步改进，所述3D相机采用Eye-in-Hand的安装方式安装在所述切割机器人的末端手臂上。3D相机与切割机器人的机械手臂之间的相对关系为手眼系统，在实际应用中常采取不同的安装形式，而根据切割机器人与3D相机之间的相对位置关系将手眼系统可以分为Eye-in-Hand系统和Eye-to-Hand系统。3D相机安装于机器人末端手臂上并随机器人一起运动的视觉系统称为Eye-in-Hand式手眼系统。3D视觉子系统是切割机器人实现智能化和自动化的关键，将3D相机固定在切割机器人末端手臂上，构成Eye-in-Hand的手眼关系。将作为“眼睛”的3D相机桩在切割机器人的手臂末端，形成手眼关系，这种方式的优点是3D相机的视场随着切割机器人的运动而发生变化，这就增加了它的工作范围。对于Eye-in-Hand的安装方式，通过手眼关系求解可以得到相机坐标系与切割机器人末端坐标系的位姿关系。本专利技术还提供了一种坡口自动切割方法，使用所述的基于三维视觉与模型匹配的坡口自动切割系统进行坡口自动切割的方法，包括如下步骤：步骤一，系统标定：包括四个基本坐标系的标定，机器人基坐标系、割枪坐标系、相机坐标系以及工件坐标系；机器人基坐标系定义在切割机器人底座上，用于说明工件的位置；割枪坐标系为一个直角坐标系；相机坐标系定义在3D相机上；工件坐标系定义在工件上；3D相机的内外参数获取，3D相机的内参数为出厂已知参数，3D相机的外参数利用三点标定法求取，利用三点标定法获取相机坐标和割枪坐标之间的映射关系，进而求得相机图像坐标和割枪坐标之间的的坐标转换矩阵，完成系统的标定；步骤二，相机采集图像：通过采用3D相机对工件进行图像采集，3D相机安装方式为：Eye-in-Hand，由切割机器人携带3D相机进行图像采集；为了避免采集到的图像产生堆叠现象，在控制启动3D相机的同时，触发切割机器人开始运动带动3D相机进行图像采集；通过手控示教器，由切割机器人带动3D相机对坡口切割前未加工的工件进行拍摄，获取工件的位置、姿态和高度信息，为进一步的图像处理提供原始数据；步骤三，图像处理：图像采集之后，3D相机将采集到的图像信息传送给上位机，上位机对采集到的图像进行处理，建立表面点云模型；表面点云模型建立完成后准备进行模型匹配；步骤四，模型匹配：在模型匹配之前将所有加工好坡口的工件的三维模型导入到上位机中的图像处理软件中，生成模板库；依次使用模板库中的三维模型以一定的准则在生成的表面点云模型中寻找和匹配实现对不同工件和坡口类型的识别，匹配成功后从三维模型上提取坡口加工轨迹，得到坡口加工轨迹点坐标；根据工件的三维模型，提取出坡口加工轨迹的信息；根据视觉标定结果，对轨迹点进行坐标转换，得到了包含轨迹点位置信息的机器人轨迹文件；步骤五，机器人运动控制：通过在上位机上进行编写通讯界面，实现上位机和切割机器人的通讯；建立连接之后，上位机把轨迹文件中的加工轨迹点坐标发送给机器人控制器，机器人控制器接收并缓存数据；编写切割机器人运动程序时，依次调用缓存的加工轨迹点坐标数据，并通过手控示教器控制切割机器人运动实现切割机器人的运动控制；通过编写通讯界面，在上位机和机器人系统之间建立连接，上位机轨迹点信息进行读取和传送，机器人系统读取并调用轨迹点信息，实现机器人按照轨迹点的运动，从而实现坡口切割；步骤六，坡口切割：通过以上五个步骤，即可实现最终的坡口切割，由切割机器人携带割枪，完成对工件坡口的切割。作为本专利技术的进一步改进，步骤一中割枪坐标系的标定方法为XYZ-4点法，通过设定一个固定不动的参考点，然后将割枪以4种不同的姿态移动到参考点，然后割枪坐标系就会根据法兰盘的位置自动计算出割枪坐标系，最后一点标定时要保证割枪的轴向应该和参考点所在平面的法向相同。作为本专利技术的进一步改进，步骤四中所述的加工轨迹点的提取方法是对待加工工件采集图像进行点云化处理，提取表面点云，然后从表面点云中提取坡口加工轨迹点；轨迹点坐标得到后，利用标定得到的转换矩阵进行坐标转换，将图像坐标系本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于三维视觉与模型匹配的坡口自动切割系统，其特征在于：包括3D视觉子系统、上位机、运动控制系统、切割机器人和切割设备，所述3D视觉子系统与所述上位机信号连接，所述上位机与所述运动控制系统信号连接，所述切割设备设置在所述切割机器人上，所述运动控制系统与所述切割机器人电连接。

【技术特征摘要】
1.一种基于三维视觉与模型匹配的坡口自动切割系统，其特征在于：包括3D视觉子系统、上位机、运动控制系统、切割机器人和切割设备，所述3D视觉子系统与所述上位机信号连接，所述上位机与所述运动控制系统信号连接，所述切割设备设置在所述切割机器人上，所述运动控制系统与所述切割机器人电连接。2.根据权利要求1所述的基于三维视觉与模型匹配的坡口自动切割系统，其特征在于：所述3D视觉子系统为3D相机，所述上位机内储存有模板库。3.根据权利要求1所述的基于三维视觉与模型匹配的坡口自动切割系统，其特征在于：所述运动控制系统包括工作台、机器人控制器和手控示教器，所述工作台放置在地面上，待加工工件放置在所述工作台上，所述手控示教器与所述机器人控制器连接，所述机器人控制器与所述切割机器人连接，所述上位机与所述机器人控制器电连接。4.根据权利要求3所述的基于三维视觉与模型匹配的坡口自动切割系统，其特征在于：所述切割机器人为六自由度关节机器人，所述3D相机和所述切割设备均设置在所述切割机器人的末端手臂上。5.根据权利要求4所述的基于三维视觉与模型匹配的坡口自动切割系统，其特征在于：所述切割设备包括氧气供应装置、乙炔气供应装置、气路控制器、乙炔气软管、氧气软管和割枪，所述氧气供应装置通过所述氧气软管与所述割枪连接，所述乙炔气供应装置通过所述乙炔气软管与所述割枪连接，所述气路控制器的数量为两个，两个所述气路控制器分别设置在所述乙炔气软管和所述氧气软管上，所述割枪设置在所述切割机器人末端手臂上。6.根据权利要求4所述的基于三维视觉与模型匹配的坡口自动切割系统，其特征在于：所述3D相机采用Eye-in-Hand的安装方式安装在所述切割机器人的末端手臂上。7.一种坡口自动切割方法，其特征在于：使用权利要求1-6中任一项所述的基于三维视觉与模型匹配的坡口自动切割系统进行坡口自动切割的方法，包括如下步骤：步骤一，系统标定：包括四个基本坐标系的标定，机器人基坐标系、割枪坐标系、相机坐标系以及工件坐标系；机器人基坐标系定义在切割机器人底座上，用于说明工件的位置；割枪坐标系为一个直角坐标系；相机坐标系定义在3D相机上；工件坐标系定义在工件上；3D相机的内外参数获取，3D相机的内参数为出厂已知参数，3D相机的外参数利用三点标定法求取，利用三点标定法获取相机坐标和割枪坐标之间的映射关系，进而求得相机图像坐标和割枪坐标之间的的坐标转换矩阵，完成系统的标定；步骤二，相机采集图...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹莹瑜，薛龙，梁亚军，董俊杰，王国帅，黄军芬，黄继强，
申请(专利权)人：北京石油化工学院，北京圣龙博睿科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11